“双碳”战略下中国CCUS技术现状及发展建议

碳捕集、封存与利用(Carbon Capture Utilization and Storage,CCUS)是当前能够大规模降低工业CO₂排放的有效方式。通过系统分析国内外CCUS关键环节的发展现状，发现燃烧后CO₂捕集技术较成熟，燃烧前捕集技术分离系统较复杂，富氧燃烧技术制氧电耗大，三者要达到工业应用均需继续降低CO₂捕集成本及能耗。中国在CO₂管输工艺、管输安全及管输标准等方面已具备一定的技术实力，但缺乏工程验证和CO₂管道技术系列标准；CO₂封存项目规模较小，在回注方案、地面工艺系统及CO₂泄漏监测等方面尚未到工业化推广要求；CO₂在油气田开发、化工生产等领域的利用积累了丰富经验，但利用量较低，未来应从提高封存量和利用量两方面入手，降低CO₂封存成本。研究结果可为CCUS工程示范和商业化发展提供参考。(图3，表2，参47)     

高压CO2管道放空及安全泄放的数值模拟

【目的】碳捕集、利用与封存是实现碳中和不可缺少的关键技术,CO₂管道输送是碳捕集、利用与封存技术的重要一环。超临界CO₂管道输送过程中,当管道发生泄漏或进行放空作业时,因CO₂强节流效应,主管及放空管内可能出现局部低温,生成干冰堵塞管道,并使钢管变脆。【方法】利用OLGA软件建立高压CO₂管道泄放模型,并将模拟结果与国外实验数据进行对比,发现OLGA软件在计算压降方面较准确,在计算温降方面相对保守,可用于CO₂管道设计计算。在此基础上,建立了长距离高压CO₂管道放空模型,模拟分析了不同的阀门开度、初始温度及初始压力对CO₂管道放空过程中管内低温、相态变化及放空时间的影响。【结果】减小放空阀阀门开度可以防止放空过程中管内温度过低,在选定的放空模拟条件下,不生成干冰的阀门开度应在13.5%,管内温度不低于-30℃时的阀门开度应在4.5%以下;高压CO₂管道放空过程中,距离泄放口较远处,对流换热强度小、温降幅度较大;初...     

CO2长输管道清管作业的影响因素

CO₂管道输送是实现碳捕集、利用与封存技术大力发展的中间环节,但由于CO₂气源含有杂质及其输送工况的特殊性,在CO₂输送过程中存在水合物生成的风险,需定期开展清管作业。为明确CO₂管道清管作业的影响因素,从CO₂长输管道清管作业的目的出发,针对CO₂管道输送的特殊性,分析驱动压力、CO₂介质特性、清管器选型、清管器运行速度对清管效果的影响,总结形成了CO₂长输管道清管作业关键技术理论基础,并展望了清管技术的发展方向。研究成果可为中国目前在建CO₂管道项目的清管提供指导,也可为中国制定CO₂长输管道清管技术的相关标准和规范提供借鉴。(图2,表1,参30)     

超临界CO2管道输送管径技术经济性评价

CO₂输送作为大规模碳捕集、利用与封存工程建设的中间环节,其首选方法是管道输送。CO₂管道输送经济性评价模型是评价其投资回报、优化管输参数的依据。通过对比分析CO₂管径计算公式,建立经济性评价模型,基于超临界CO₂管道工程案例,对管道直径进行经济评价。结果表明:超临界CO₂管道单位运输成本随管径的增大先下降后增加,对于输量为1×106 t/a、长度为200 km的管道,其管径为240 mm时CO₂单位运输成本最低;Vandeginste管径模型的计算结果与理论最优管径相近,推荐在实际工程中应用该模型;公称直径为200 mm时所节约的管道费用远大于能耗成本的增量,年化费用最小;单位运输成本随着运输距离的增加而降低,200 km后趋于稳定。研究结果可为CO₂管道经济输送提供科学依据及决策参考。(图5,表7,参21)     

国内外CO2管道设计规范要点

【目的】CO₂捕集、利用与封存(Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS)因其可直接降低碳排放而备受关注,CO₂管道作为CCUS的重要环节,其建设呈现出快速发展趋势。为了保证CO₂管道系统建设与运行的整体安全,深入剖析管道设计规范的相关规定尤为重要。【方法】深入调研了国内外CO₂管道主要标准的发展历史及现状,重点分析了CO₂管道设计中管道材料选择、CO₂脱水、阀室设置、管道放空、管道干燥封存等方面的要点及其需要注意的问题。【结果】基于CO₂自身的特殊性质,管道材料的选择应与CO₂的输送相态相适应,且能够承受管道减压过程中可能发生的低温影响;CO₂管道阀室间距、位置的设置应与管道路由、泄压放空设施的位置等相结合,对各环节进行统筹考虑;密相/超临界CO₂泄压及放空会带来低温、地势低洼处聚集等问题,为防止对人员健康及环境造成威...     

CO2摩尔分数倍增对秋茄·桐花树碳储量的影响

[目的]探究CO₂摩尔分数倍增对红树林碳储量的影响。[方法]选取海南东寨港优势树种秋茄、桐花树为实验室研究对象,采用开顶箱法,模拟CO₂摩尔分数为350μmol/mol和700μmol/mol环境条件,研究秋茄、桐花树的碳储量变化,构建碳储量方程,并结合实地秋茄、桐花树勘测数据,预测在CO₂摩尔分数倍增环境条件下秋茄、桐花树群落的碳储量。[结果]在短期试验中,随着CO₂摩尔分数的升高,秋茄、桐花树生物量、碳储量增加,在CO₂摩尔分数倍增条件下,秋茄、桐花树碳储量分别为290.85、211.80 g/m²,秋茄碳储量表现为根>茎>叶,桐花树碳储量表现为叶>根>茎。采用标准株和数量化模型结合的方法构建碳储量方程,其拟合度较优。将实测秋茄、桐花树树高、胸径分别代入构建的碳储量方程,估算出CO₂摩尔分数为700μmol/mol环境条件下秋茄、桐花树群落碳储量分别为96.61、63.22 t/hm²...     

CO2管道泄漏减压特性与裂纹扩展研究现状及发展趋势

管道适合长距离、大输量的运输，是碳捕集、封存与利用(Carbon Capture,Utilization and Storage,CCUS)技术中连接碳源和碳汇的关键环节。但由于CO₂特殊的减压特性，CO₂长输管道在运行过程中发生泄漏后极易产生管材持续性裂纹扩展。为此，从试验、理论研究及数值模拟3个方面综述了国内外对CO₂泄漏减压特性与裂纹扩展方面的研究现状，归纳总结不同状态方程、杂质因素、理论模型对泄漏减压特性的适应性，以及不同规模、初始条件与相态、杂质含量、泄漏方式下泄漏减压的试验成果。进而分析了不同相态、初始条件、管材、杂质含量及种类等因素对裂纹扩展的影响，并对比分析不同的CO₂管道裂纹扩展理论模型及其适用范围，以及裂纹扩展与流固耦合数值模拟方法。最后对未来亟需进一步开展研究的内容进行展望，以期为中国CO₂管道泄漏与裂纹扩展研究提供借鉴，从而促进并提升CCUS安全保障技术水平。(图2，表2，参65)     

山东威海农业碳达峰时序及碳中和前景分析

为落实“双碳”行动目标,本文对威海市对2001—2020年农牧业生产碳达峰时序以及碳中和主要途径进行了量化分析。结果表明,威海市农业温室气体排放量在2006年达到峰值,排放量为69.60万吨二氧化碳当量(CO₂ e,以下均用“CO₂ e”表述),种植业和畜牧业分别在2006年和2009年实现碳达峰,排放量分别为68.17万吨CO₂ e和1.66万吨CO₂ e,其中化肥和农药减量在其中发挥了关键作用,果业则是农业碳汇的最大来源。建议通过稳定果园面积、提高地力等级、推广秸秆还田和畜禽粪便无害化处理技术等,进一步发挥农业在威海碳中和实践过程中的积极作用。     

大气二氧化碳摩尔分数升高对土壤有机碳稳定性的影响

随着工业的不断发展，全球大气二氧化碳(CO₂)呈明显增加趋势。大气CO₂的增加将会影响土壤有机碳(SOC)转化和更新，进而改变土壤碳的稳定性。研究大气CO₂升高对SOC稳定性的影响，不但是评价陆地生态系统对气候变化反馈效应的重要环节，也对实现碳元素在土壤中的有效储存，对保持土壤肥力的可持续性具有重要意义。利用现有的文献资料，综述了大气CO₂升高对SOC稳定性的影响及其稳定性指标(生物指标、化学指标、其他指标等)，外源氮和大气CO₂升高的交互作用对SOC稳定性的影响，以及SOC稳定性随时间尺度的变化趋势等。总结发现:大气CO₂升高导致活性有机碳(溶解性有机碳、颗粒性有机碳、易氧化有机碳等)比例增多，SOC稳定性降低，尤其在氮限制的环境中，SOC稳定性更差。总结近年的研究成果发现:随着高CO₂处理时间的加长，SOC稳定性降低速率逐渐减小，表明土壤本身具有一定的适应能力和自我恢复能力。最后展望了SOC稳定性变化对植物生理、生长的反馈影响。未来大气CO₂升高对SOC稳定性的影响研究，应该着力于提高农田生态系统土壤肥力可持续性及提高农作物的产量产能。图1参74     

大气CO2浓度和温度升高对农田土壤碳库及微生物群落结构的影响

大气CO₂浓度和温度升高会通过影响作物的光合作用,从而影响光合碳向土壤中的输送。输入到土壤中光合碳含量的变化势必会对土壤外源碳的主要分解者--微生物的群落结构产生影响。土壤微生物在土壤有机质的转化过程中发挥着重要的作用,是土壤碳循环的主要驱动者,其群落结构和功能的改变会影响土壤有机质的动态变化,而这些变化会进一步增加或者降低大气中的CO₂浓度,从而对气候变化产生反馈作用。未来土壤的碳平衡取决于大气CO₂浓度和全球变暖对土壤中碳的输入、输出以及碳在土壤中的驻留时间。因此,只有全面了解大气CO₂浓度和温度升高将对土壤碳库及土壤微生物群落结构产生何种影响,才能明确地揭示陆地生态系统对气候变化的反馈机制,对未来农田土壤有机碳库的管理和生产力的维持有重要意义。文章综述了大气CO₂浓度和温度升高及其交互作用对土壤碳库和土壤微生物群落结构的影响。主要结论为：（1）大气CO₂浓度和温度升高对土壤碳库的影响可以相互抵消,但是土壤碳库是否成为碳“源”与温度升高的幅度密切相关;（2）大气CO₂浓度升高增加了光合碳在玉米、小麦等植株各部分的分配,温度升高同样对光合碳的分配规律产生影响,但对不同部位的影响不一致,多呈降低或无显著影响;（3）大气CO₂浓度和温度升高可能对土壤微生物活性及其群落结构产生交互影响,且对不同微生物（细菌、真菌和古菌）群落的影响程度不同,进一步对土壤有机碳的转化产生影响。最后提出未来的研究方向：（1）从气候变化影响植物-土壤互作角度解析根系分泌物的转化过程及其对微生物的影响;（2）通过DNA-SIP进一步研究大气CO₂浓度和温度升高条件下土壤微生物对不同植物来源碳的选择性利用与碳循环的关系,从而阐明气候变化条件下微生物底物利用策略以及微生物群落结构的变化。     

增施CO2与补光互作对辣椒光合特性及产量的影响

探索增施CO₂与补光互作对辣椒光合特性及产量的影响,为温室辣椒增施CO₂与补光提供理论依据。以37-94辣椒为供试材料,探究3个CO₂与补光互作处理（T1:LED红光∶蓝光=5∶1+CO₂;T2:LED红光∶蓝光∶白光=3∶2∶1+CO₂;T3:植物补光灯+CO₂）条件下,增施CO₂与补光对辣椒光合特性及产量的影响。结果表明,与CK相比,LED红光∶蓝光∶白光=3∶1∶1+CO₂处理下,辣椒植株株高、茎粗、叶宽、叶长和叶绿素含量均有所增加;叶片净光合速率（P_n）、气孔导度（G_s）、胞间CO₂浓度（C_i）较对照分别提高48.07%、66.67%、31.17%,产量为4 435.00 kg/667 m²。LED红光∶蓝光∶白光=3∶1∶1+CO₂处理下能够促进辣椒植株生长,提高光合作用,...     

不同磷水平下CO2浓度升高对番茄光合特性和抗氧化酶活性的影响

通过水培试验研究在低磷（2μmol/L）、磷充足（2 mmol/L）条件下,大气中不同CO₂浓度[（400±50）、（800±50）μmol/mol]对番茄光合特性和抗氧化酶活性的影响。结果表明,磷充足条件下,CO₂浓度升高可以显著促进番茄叶片光合速率的提高;而低磷抑制了这种作用。磷充足时,CO₂浓度升高显著增加了叶绿素含量,并且叶绿素b含量的增幅明显大于叶绿素a含量;而低磷条件下,CO₂浓度升高显著降低了叶绿素含量。与磷充足相比,低磷条件下,番茄叶片的超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶活性明显降低,丙二醛含量升高。但CO₂浓度升高明显促进了3种抗氧化酶的活性,并且磷充足条件下促进作用更为显著,同时降低了MDA的含量。因此CO₂浓度升高条件下,磷素充足供应可以促进CO₂浓度升高产生的正效应。     

国家粮食安全与农业双碳目标的双赢策略

粮食安全是国家安全的基石,碳达峰与碳中和已成为我国长期战略。我国是粮食消费大国,95%以上的粮食及重要农产品供应仍然靠国内农业生产。农业既是主要的碳排放源,更是重要的碳固定汇,固碳减排潜力巨大。因此,现代农业不仅可以保障国家粮食及主要农产品的有效供给,而且可以且应该助力国家双碳目标。为此,作者在总结分析国内外相关文献及自己多年研究成果基础上,系统探讨了粮食安全与双碳目标之间的相互联系及双赢策略。结果表明,粮食安全和双碳目标之间,在增产与固碳、增产与减排、固碳与减排以及相关主管部门的政策等层面存在冲突和协同关系,但协同强于冲突;农业双碳目标与绿色高质量发展在方向上高度一致,目标上相辅相成。科研实践和技术示范推广案例也证明,国家粮食安全与农业双碳目标可以通过技术创新和政策创设等途径实现双赢。依据我国农业发展新趋势,作者认为种植业碳排放已基本达峰,在粮食安全背景下农业碳达峰的峰值及达峰进程将取决于畜牧业发展及人民生活水平提升要求;农业碳中和目标能否实现将主要视甲烷（CH₄）等非二氧化碳（CO₂）温室气体减排力度,以及农业综合固碳潜力的发挥。农业碳达峰指日可待,但在目标设定上不能影响国家粮食安全和人民生活改善;农业碳中和任重道远,必须固碳与减排兼顾,并以农业CH₄等非CO₂温室气体减排为优先。总之,粮食安全下实现农业双碳目标是一项系统工程,任务艰巨,需要农业固碳减排科技创新、农业碳监测与评价方法创建、以及农业部门间的协调机制和新政策创设等综合支撑。本文的建议可为国家及地方制定农业碳达峰与碳中和目标及行动方案提供重要参考,为农业固碳减排科技创新和政策创设提供新思路。     

作物-土壤氮循环对大气CO2浓度和温度升高响应的研究进展

在地球化学元素循环中,氮素是最重要、最活跃的营养元素之一。农田生态系统中的氮素很大程度上决定农作物的产量和品质。然而,在全球气候变化背景下,随着大气CO₂浓度和温度升高,作物-土壤氮循环的变化可能显著影响农田生态系统中的作物生产。因此,研究作物-土壤氮循环对大气CO₂浓度和温度升高的响应,能够为科学合理地预测未来气候条件下,农田生态系统中作物的氮素需求,以及保障农作物产量的稳定供应提供理论依据,对于全面认识全球气候变化背景下的农田生态系统氮素循环过程及土壤可持续利用具有重要意义。本文综述了大气CO₂和温度升高对作物氮素吸收和分配,以及与氮有效性密切相关的土壤氮转化的影响,并系统总结了二者对作物-土壤氮循环过程产生的交互作用。总结以往研究发现,在大气CO₂浓度升高条件下,作物的蒸腾作用减弱,但光合作用增强,生物量加大,根系分支和根表面积增加,豆科作物的根瘤固氮能力提高,因此整体上促进作物对氮的吸收,并且增加作物向籽粒中分配氮的比例,但作物的平均氮浓度降低。此外,高CO₂浓度提高了土壤酶活性,增强了土壤有机氮矿化作用、硝化及反硝化作用,加速了土壤氮转化。升温和CO₂浓度升高对作物-土壤氮循环产生正向或负向的交互作用,主要表现在：高温和高CO₂浓度对作物的生物量、光合作用、地下部氮分配、根系分支以及根表面积具有协同促进作用,升高温度减轻了高CO₂浓度对作物蒸腾作用和作物氮浓度的抑制作用。然而,升温抑制了高CO₂浓度对作物向籽粒中氮分配、氮吸收以及产量的促进作用;升温虽然能进一步增强高CO₂浓度对土壤酶活性和有机氮矿化的促进作用,但是对于土壤硝化和反硝化作用,二者的交互作用以及相关的分子机制尚不明确。大气CO₂升高和温度升高对土壤微生物,以及微生物与作物之间的耦合关系的研究比较薄弱,特别是由微生物主导的氮循环过程及其对全球气候变化的反馈机制是未来研究的重点。本文提出利用16S rRNA、DGGE、T-RFLP、qPCR、RT-PCR技术、蛋白组学以及稳定性同位素探针原位研究技术,可以将复杂环境中微生物物种组成及其生理功能进行耦合分析,揭示大气CO₂浓度与温度对作物-土壤氮循环过程的交互作用机理,增强对气候变化下农田生态系统氮素循环响应的预测能力,为农田生态系统有效地适应气候变化提供科学的理论依据。     

基于涡动相关技术的森林生态系统二氧化碳通量研究进展

森林生态系统是陆地生态系统碳循环的重要组成部分，森林对大气二氧化碳(CO₂)浓度具有重要的调节作用，开展森林生态系统碳循环研究对更好地了解生物地球化学过程和应对全球气候变化具有重要的科学意义和应用价值。涡动协方差/涡动相关技术是目前应用最广泛的森林生态系统CO₂通量观测技术。讨论了基于该技术的森林生态系统CO₂通量研究的部分代表性成果，总结了当前森林生态系统CO₂通量的主要研究成果并对未来研究提出展望。目前，森林生态系统CO₂通量的研究主要集中于:①森林生态系统的碳源/汇估算；② CO₂通量观测源区/足迹的计算；③ CO₂通量动态特征的提取及其环境影响因子；④基于统计模型的森林生态系统物候特征参数的提取；⑤基于机理模型的气候系统对森林生态系统碳循环的影响。主要结论为:森林生态系统是陆地生态系统的重要碳汇，在对森林生态系统进行CO₂通量观测时需对其通量源区的空间代表性进行检验，森林生态系统碳源/汇状态受到树龄、降水和土壤含水量等因素的影响，空气温度是森林生态系统碳循环的重要影响因子。未来森林生态系统CO₂通量研究应该集中于提高通量足迹模型计算精度，讨论不同林分对大气CO₂的贡献强度。结合气候系统模型和生态生理模型建立植物生理过程参数化模型、预测气候变化对森林碳交换的影响。区域-全球尺度森林生态系统CO₂通量研究未来将关注多站点通量，气象数据长时间序列的整合分析，讨论CO₂通量气候态特征与碳源/汇的空间格局，更好地了解全球陆地生态系统碳循环机制。表1参64     

紫菜养殖海域秋冬季海气界面CO2足迹与通量

大型海藻光合作用是海洋初级生产力的来源之一,是海洋碳循环中关键的一环。基于涡度相关技术对浙江省洞头区霓屿岛紫菜养殖区海气界面CO₂的足迹与通量进行观测,获取了2014年11月至2015年2月间紫菜养殖海域海气界面CO₂通量数据,并进行碳足迹和碳通量分析。分析结果表明,观测数据能合理刻画人工紫菜养殖海区秋冬季海气界面的通量变化,秋冬季紫菜养殖海域表现出强烈的碳汇效应,海气界面CO₂通量伴随着紫菜生长与收割的不同阶段呈现出规律的变化。整个紫菜养殖周期内,海气界面的CO₂通量均值可达-1.45 μmol·m^-2·s^-1。     

不同CO2浓度和氮水平对冬小麦光合和生长特性的影响

为揭示高CO₂浓度处理下,不同氮水平对冬小麦光合作用、生物量积累和产量的影响,利用开顶式气室(OTC),以冬小麦品种宁麦13为试验材料,开展不同CO₂浓度(C,环境CO₂浓度;T,高CO₂浓度,比环境CO₂浓度高200 μmol·mol^-1)和氮水平(LN,低氮,90 kg·hm^-2;HN,高氮,240 kg·hm^-2)的交互试验,测定不同处理下不同生育期冬小麦的光合特性、叶片碳氮含量、地上部生物量和产量。结果表明,CO₂浓度升高提高了冬小麦的净光合速率,在低氮水平下增幅为78.4%,在高氮水平下增幅为77.2%。在开花期和灌浆期,高氮水平对冬小麦地上部干物质量积累有明显促进作用。各处理中,C-LN的产量最低,T-HN的产量最高,且二者差异显著(P<0.05)。以上结果说明,在未来CO₂浓度升高条件下,可通过增施适量的氮肥提升冬小麦的生物量和产量。     

热带果类农产品碳足迹核算研究——以海南芒果为例

为识别热带果类农产品生命周期过程中的碳足迹热点，以海南芒果为研究对象，采用生命周期评价法核算了芒果生产的碳足迹。结果表明，芒果生产碳足迹9.22 t·CO₂/hm²，碳排放量高于碳固定量，即每公顷芒果园在生产过程中CO₂净排放量为9.22 t；芒果总碳排放为19.72 t·CO₂/hm²，其中芒果园土壤呼吸、种植过程中的氮肥施用是芒果碳足迹的主要排放源，分别占总排放量的73.39%、15.41%；芒果园固碳量为10.50 t·CO₂/hm²，芒果树树体本身的固碳是主要的固碳途径，占总固碳量的84.2%。研究结果可为有效制定碳减排方案提供理论和数据支撑，有利于热带高效低碳农业的发展和减排目标的实现。     

森林生态工程的可持续发展模式——以克拉玛依人工CO2减排林为例

森林资源和生态系统的可持续性发展可以带来巨大的生态环境效益、社会效益、经济效益。人工CO₂减排林工程的实施对调节气候起着重要作用。本研究一方面通过实地调查和取样检验,分析了影响克拉玛依人工CO₂减排林工程实施的多项因素。结果表明,近几年克拉玛依人工CO₂减排林由于自然环境、病虫害等灾害的影响,树木死亡比较严重,严重制约了其功能的正常发挥。另一方面基于森林生态工程体系理论与方法,将可持续发展的理念深入到森林生态工程规划、建设的各个层面,对克拉玛依人工CO₂减排林的可持续发展状况进行分析评价,构建出适合克拉玛依人工CO₂减排林可持续发展的生态工程模式。     

氮添加对华北落叶松树枝CO2通量的影响

【目的】枝CO₂通量是林分碳释放的重要组成部分之一，研究模拟氮沉降下的华北落叶松枝CO₂通量变化，可以为氮沉降背景下的华北落叶松林分固碳增汇管理提供一定的理论依据。【方法】在2021年6-10月，以华北落叶松25年生中龄人工林和32年生近熟人工林为研究对象，设置对照(CK,0 kg/(hm²·a))、低氮(N1,75 kg/(hm²·a))、中氮(N2,150 kg/(hm²·a))、高氮(N3,225 kg/(hm²·a)) 4个强度的氮添加处理，并使用LI-8100A对枝CO₂通量进行原位监测，同时采集枝条样品以测定其氮含量。【结果】(1)华北落叶松枝CO₂通量与空气温度基本呈现出“单峰型”月变化，峰值出现在6-8月，空气温度可以分别解释2个林龄枝CO₂通量37%～82%、40%～70%的变化。(2)25年和32年生华北落叶松6-10月平均枝CO₂通量随氮添加处理强...